A key issue in solar energy conversion is the utilization of solar energy for the preparation of solar fuels. In this area, artificial photosynthesis offers promising approaches for the conversion of H2O and CO2 into usable solar fuels. This review highlights both the design and characterization of surface molecular assemblies for the preparation of solar fuels. It includes mechanistic summaries of the details of the underlying surface chemical reactions including water oxidation and proton/water reduction. The surface mechanisms are shown to integrate molecular reactivity with surface electron transfer in integrated assemblies that lead to impressive efficiencies for water oxidation and proton or CO2 reduction.
References
1.
N. S.
Lewis
, Nat. Nanotechnol.
11
, 1010
–1019
(2016
).2.
D. L.
Ashford
, M. K.
Gish
, A. K.
Vannucci
, M. K.
Brennaman
, J. L.
Templeton
, J. M.
Papanikolas
, and T. J.
Meyer
, Chem. Rev.
115
, 13006
–13049
(2015
).3.
N. S.
Lewis
and D. G.
Nocera
, Proc. Natl. Acad. Sci.
103
, 15729
–15735
(2006
).4.
D. G.
Nocera
, Acc. Chem. Res.
45
, 767
–776
(2012
).5.
L.
Hammarstrom
and S.
Hammes-Schiffer
, Acc. Chem. Res.
42
, 1859
–1860
(2009
).6.
S.
Hammes-Schiffer
, Acc. Chem. Res.
42
, 1881
–1889
(2009
).7.
D. A.
LaVan
and J. N.
Cha
, Proc. Natl. Acad. Sci.
103
, 5251
–5255
(2006
).8.
J. J.
Concepcion
, R. L.
House
, J. M.
Papanikolas
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci.
109
, 15560
(2012
).9.
T. J.
Meyer
, Acc. Chem. Res.
22
, 163
–170
(1989
).10.
B.
Zhang
and L.
Sun
, Chem. Soc. Rev.
48
, 2216
–2264
(2019
).11.
F.
Li
, H.
Yang
, W.
Li
, and L.
Sun
, Joule
2
, 36
–60
(2018
).12.
M. V.
Sheridan
, B. D.
Sherman
, Y.
Xie
, and Y.
Wang
, Sol. RRL
5
, 2000565
(2021
).13.
M. K.
Brennaman
, R. J.
Dillon
, L.
Alibabaei
, M. K.
Gish
, C. J.
Dares
, D. L.
Ashford
, R. L.
House
, G. J.
Meyer
, J. M.
Papanikolas
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
138
, 13085
–13102
(2016
).14.
W. J.
Youngblood
, S. H. A.
Lee
, K.
Maeda
, and T. E.
Mallouk
, Acc. Chem. Res.
42
, 1966
–1973
(2009
).15.
W. J.
Youngblood
, S. H. A.
Lee
, Y.
Kobayashi
, E. A.
Hernandez-Pagan
, P. G.
Hoertz
, T. A.
Moore
, A. L.
Moore
, D.
Gust
, and T. E.
Mallouk
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 926
–927
(2009
).16.
D.
Wang
, Q.
Huang
, W.
Shi
, W.
You
, and T. J.
Meyer
, Trends Chem.
3
, 59
–71
(2021
).17.
M. A.
Gross
, C. E.
Creissen
, K. L.
Orchard
, and E.
Reisner
, Chem. Sci.
7
, 5537
–5546
(2016
).18.
N.
Kaeffer
, J.
Massin
, C.
Lebrun
, O.
Renault
, M.
Chavarot-Kerlidou
, and V.
Artero
, J. Am. Chem. Soc.
138
, 12308
–12311
(2016
).19.
J.
Huang
, J. N.
Sun
, Y. Y.
Wu
, and C.
Turro
, J. Am. Chem. Soc.
143
, 1610
–1617
(2021
).20.
E. A.
Gibson
, Chem. Soc. Rev.
46
, 6194
–6209
(2017
).21.
J. H.
Alstrum-Acevedo
, M. K.
Brennaman
, and T. J.
Meyer
, Inorg. Chem.
44
, 6802
–6827
(2005
).22.
J. K.
McCusker
, Science
363
, 484
(2019
).23.
E.
Jakubikova
and D. N.
Bowman
, Acc. Chem. Res.
48
, 1441
–1449
(2015
).24.
K. R.
Wee
, B. D.
Sherman
, M. K.
Brennaman
, M. V.
Sheridan
, A.
Nayak
, L.
Alibabaei
, and T. J.
Meyer
, J. Mater. Chem. A
4
, 2969
–2975
(2016
).25.
F. S.
Li
, K.
Fan
, B.
Xu
, E.
Gabrielsson
, Q.
Daniel
, L.
Li
, and L. C.
Sun
, J. Am. Chem. Soc.
137
, 9153
–9159
(2015
).26.
M.
Yamamoto
, L.
Wang
, F. S.
Li
, T.
Fukushima
, K.
Tanaka
, L. C.
Sun
, and H.
Imahori
, Chem. Sci.
7
, 1430
–1439
(2016
).27.
J. T.
Kirner
and R. G.
Finke
, J. Mater. Chem. A
5
, 19560
–19592
(2017
).28.
A.
Nayak
, K.
Hu
, S.
Roy
, M. K.
Brennaman
, B.
Shan
, G. J.
Meyer
, and T. J.
Meyer
, J. Phys. Chem. C
122
, 13455
–13461
(2018
).29.
K. L.
Materna
, J. B.
Jiang
, K. P.
Regan
, C. A.
Schmuttenmaer
, R. H.
Crabtree
, and G. W.
Brudvig
, ChemSusChem
10
, 4526
–4534
(2017
).30.
H. L.
Luo
, W. J.
Song
, P. G.
Hoertz
, K.
Hanson
, R.
Ghosh
, S.
Rangan
, M. K.
Brennaman
, J. J.
Concepcion
, R. A.
Binstead
, R. A.
Bartynski
, R.
Lopez
, and T. J.
Meyer
, Chem. Mater.
25
, 122
–131
(2013
).31.
Q.
Liu
, D. G.
Wang
, B.
Shan
, B. D.
Sherman
, S. L.
Marquard
, M. S.
Eberhart
, M. C.
Liu
, C. H.
Li
, and T. J.
Meyer
, J. Chem. Phys.
150
, 041727
(2019
).32.
L.
Alibabaei
, B. D.
Sherman
, M. R.
Norris
, M. K.
Brennaman
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci
112
, 5899
–5902
(2015
).33.
B. D.
Sherman
, D. L.
Ashford
, A. M.
Lapides
, M. V.
Sheridan
, K. R.
Wee
, and T. J.
Meyer
, J. Phys. Chem. Lett.
6
, 3213
–3217
(2015
).34.
S. W.
Gersten
, G. J.
Samuels
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
104
, 4029
–4030
(1982
).35.
T. J.
Meyer
, M. V.
Sheridan
, and B. D.
Sherman
, Chem. Soc. Rev.
46
, 6148
–6169
(2017
).36.
F.
Liu
, J. J.
Concepcion
, J. W.
Jurss
, T.
Cardolaccia
, J. L.
Templeton
, and T. J.
Meyer
, Inorg. Chem.
47
, 1727
–1752
(2008
).37.
L. L.
Duan
, F.
Bozoglian
, S.
Mandal
, B.
Stewart
, T.
Privalov
, A.
Llobet
, and L. C.
Sun
, Nat. Chem.
4
, 418
–423
(2012
).38.
B. B.
Zhang
and L. C.
Sun
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 5565
–5580
(2019
).39.
S.
Ye
, C.
Ding
, M.
Liu
, A.
Wang
, Q.
Huang
, and C.
Li
, Adv. Mater.
31
, 1902069
(2019
).40.
D. W.
Shaffer
, Y.
Xie
, and J. J.
Concepcion
, Chem. Soc. Rev.
46
, 6170
–6193
(2017
).41.
J. J.
Concepcion
, M. K.
Tsai
, J. T.
Muckerman
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 1545
–1557
(2010
).42.
D. E.
Polyansky
, J. T.
Muckerman
, J.
Rochford
, R. F.
Zong
, R. P.
Thummel
, and E.
Fujita
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 14649
–14665
(2011
).43.
J. J.
Concepcion
, J. W.
Jurss
, J. L.
Templeton
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci.
105
, 17632
(2008
).44.
J. J.
Concepcion
, J. W.
Jurss
, P. G.
Hoertz
, and T. J.
Meyer
, Angew. Chem. Int. Ed.
48
, 9473
–9476
(2009
).45.
M. R.
Norris
, J. J.
Concepcion
, D. P.
Harrison
, R. A.
Binstead
, D. L.
Ashford
, Z.
Fang
, J. L.
Templeton
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
135
, 2080
–2083
(2013
).46.
M. R.
Norris
, J. J.
Concepcion
, Z.
Fang
, J. L.
Templeton
, and T. J.
Meyer
, Angew. Chem. Int. Ed.
52
, 13580
–13583
(2013
).47.
M. V.
Sheridan
, B. D.
Sherman
, Z.
Fang
, K.-R.
Wee
, M. K.
Coggins
, and T. J.
Meyer
, ACS Catal.
5
, 4404
–4409
(2015
).48.
M. V.
Sheridan
, B. D.
Sherman
, S. L.
Marquard
, Z.
Fang
, D. L.
Ashford
, K.-R.
Wee
, A. S.
Gold
, L.
Alibabaei
, J. A.
Rudd
, M. K.
Coggins
, and T. J.
Meyer
, J. Phys. Chem. C
119
, 25420
–25428
(2015
).49.
N.
Song
, J. J.
Concepcion
, R. A.
Binstead
, J. A.
Rudd
, A. K.
Vannucci
, C. J.
Dares
, M. K.
Coggins
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci.
112
, 4935
–4940
(2015
).50.
M. S.
Eberhart
, L. M. R.
Bowers
, B.
Shan
, L.
Troian-Gautier
, M. K.
Brennaman
, J. M.
Papanikolas
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
140
, 9823
–9826
(2018
).51.
A. M.
Lapides
, D. L.
Ashford
, K.
Hanson
, D. A.
Torelli
, J. L.
Templeton
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
135
, 15450
–15458
(2013
).52.
Y.
Zhao
, J. R.
Swierk
, J. D.
Megiatto
, B.
Sherman
, W. J.
Youngblood
, D.
Qin
, D. M.
Lentz
, A. L.
Moore
, T. A.
Moore
, D.
Gust
, and T. E.
Mallouk
, Proc. Natl. Acad. Sci.
109
, 15612
(2012
).53.
Y.
Na
, S. W.
Miao
, L.
Zhou
, P. C.
Wei
, and Y.
Cao
, Sustainable Energy Fuels
2
, 545
–548
(2018
).54.
S.
Ye
, C.
Ding
, R.
Chen
, F.
Fan
, P.
Fu
, H.
Yin
, X.
Wang
, Z.
Wang
, P.
Du
, and C.
Li
, J. Am. Chem. Soc.
140
, 3250
–3256
(2018
).55.
D.
Wang
, M. S.
Eberhart
, M. V.
Sheridan
, K.
Hu
, B. D.
Sherman
, A.
Nayak
, Y.
Wang
, S. L.
Marquard
, C. J.
Dares
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci.
115
, 8523
(2018
).56.
D. G.
Wang
, F. J.
Niu
, M. J.
Mortelliti
, M. V.
Sheridan
, B. D.
Sherman
, Y.
Zhu
, J. R.
McBride
, J. L.
Dempsey
, S. H.
Shen
, C. J.
Dares
, F.
Li
, and T. J.
Meyer
, Proc. Natl. Acad. Sci.
117
, 12564
–12571
(2020
).57.
B.
Shan
, M. K.
Brennaman
, L.
Troian-Gautier
, Y.
Liu
, A.
Nayak
, C. M.
Klug
, T.-T.
Li
, R. M.
Bullock
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 10390
–10398
(2019
).58.
B.
Shan
, B. H.
Farnum
, K.-R.
Wee
, and T. J.
Meyer
, J. Phys. Chem. C
121
, 5882
–5890
(2017
).59.
D.
Wang
, Y.
Wang
, M. D.
Brady
, M. V.
Sheridan
, B. D.
Sherman
, B. H.
Farnum
, Y.
Liu
, S. L.
Marquard
, G. J.
Meyer
, C. J.
Dares
, and T. J.
Meyer
, Chem. Sci.
10
, 4436
–4444
(2019
).60.
R. N.
Sampaio
, L.
Troian-Gautier
, and G. J.
Meyer
, Angew. Chem. Int. Ed.
57
, 15390
–15394
(2018
).61.
D.
Wang
, R. N.
Sampaio
, L.
Troian-Gautier
, S. L.
Marquard
, B. H.
Farnum
, B. D.
Sherman
, M. V.
Sheridan
, C. J.
Dares
, G. J.
Meyer
, and T. J.
Meyer
, J. Am. Chem. Soc.
141
, 7926
–7933
(2019
).62.
B.
Shan
, A. K.
Das
, S.
Marquard
, B. H.
Farnum
, D.
Wang
, R. M.
Bullock
, and T. J.
Meyer
, Energy Environ. Sci.
9
, 3693
–3697
(2016
).63.
Z.
Chen
, J. J.
Concepcion
, N.
Song
, and T. J.
Meyer
, Chem. Commun.
50
, 8053
–8056
(2014
).64.
K.
Mase
, M.
Yoneda
, Y.
Yamada
, and S.
Fukuzumi
, Nat. Commun.
7
, 11470
(2016
).65.
M. V.
Sheridan
, Y.
Wang
, D.
Wang
, L.
Troian-Gautier
, C. J.
Dares
, B. D.
Sherman
, and T. J.
Meyer
, Angew. Chem. Int. Ed.
57
, 3449
–3453
(2018
).© 2022 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2022
Author(s)
You do not currently have access to this content.
